Axiallüfterdefekte verstehen
Axiallüfterdefekte sind die Fehler, die spezifisch für Axialventilatoren auftreten, bei denen Luft parallel zur Wellenachse durch ein propellerähnliches Rotor. Dazu zählen Fehler im Blattanstellwinkel, Verschlechterung des Schaufelspitzenspiels sowie Schaufel Ermüdung und Rissbildung, Versagen der Nabenanbindung, rotierendes Abreißen und aerodynamische Resonanzen. Axialventilatoren unterscheiden sich von Radialventilatoren in ihrem Strömungspfad und ihrer Kraftverteilung, was sie einzigartigen Versagensmoden aussetzt, die mit Blattverwindung, Spaltströmung und variierendem Axialschub zusammenhängen. Sie gehören zur weiteren Familie der fan defects erfordern jedoch einen eigenen Diagnoseansatz.
Axialventilatoren sind überall in HLK-Anlagen, Kühltürmen, Zugventilatoren in Kraftwerken und industriellen Lüftungsanlagen zu finden. Ihr großer Durchmesser und die verhältnismäßig leichten Schaufeln machen sie besonders anfällig für schwingungsinduzierte Ermüdung und aerodynamische Instabilitäten — Probleme, die in einer Schwingungsanalyse Messung deutlich sichtbar werden, wenn man weiß, nach welchen Signaturen man suchen muss.
1. Probleme mit Blattneigung und -winkel
Falsche Anstellwinkeleinstellung
- Lüfter mit verstellbarer Schaufelanstellung: der Schaufelwinkel ist einstellbar, um die Leistung zu optimieren.
- Fehleinstellung: Schaufeln, die für die Betriebsbedingungen im falschen Winkel eingestellt sind.
- Auswirkungen: schlechte Leistung, starke Schwingungen und eine Neigung zum Abreißen.
- Ungleichmäßige Einstellung: Schaufeln, die in unterschiedlichen Winkeln stehen, verteilen Masse und aerodynamische Last ungleichmäßig, was zu Unwucht.
Verformung durch Schaufelverwindung
- Dauerhaft durch aerodynamische oder Fliehkraftbelastungen verdrehte Schaufeln.
- Veränderte Strömungswinkel, die die Leistung beeinträchtigen.
- Asymmetrische Verdrillung, die Unwucht erzeugt.
- Thermische Verformung, verursacht durch Temperaturgradienten über den Rotor.
2. Probleme mit dem Spitzenabstand
Warum das Schaufelspitzenspiel bei Axialventilatoren entscheidend ist
- Strömung entweicht über die Schaufelspitzen und bildet Spitzenwirbel.
- Der Wirkungsgrad reagiert sehr empfindlich auf das Schaufelspitzenspiel.
- Jede Zunahme des Spiels um 1 % verringert den Wirkungsgrad um rund 1–2 %.
- Das Spiel beeinflusst auch das Schwingungs- und Akustikverhalten.
Übermäßiges Spiel
- Ursachen: tragen, Gehäuseverformung, Schaufelablenkung und thermische Ausdehnung.
- Auswirkungen: Leistungseinbußen, stärkere Spitzenwirbel und erhöhte Schwingungen.
- Typisches Neuspiel: 0,5–1,5 % der Schaufellänge.
- Handlungsbedarf: mehr als 3 % der Schaufellänge zeigen an, dass der Ventilator ersetzt oder überholt werden muss.
Tipp Rubs
- Schaufelspitzen, die das Gehäuse berühren.
- Verursacht durch übermäßige Vibration, thermische Ausdehnung oder Fehlausrichtung.
- Erzeugt Lärm, Schwingungen und Schaufelschäden — eine lokalisierte Form von Rotorreibung.
- Hinterlässt Verschleißspuren, die sowohl an den Schaufelspitzen als auch am Gehäuse sichtbar sind.
3. Strukturelle Defekte der Schaufel
Ermüdungsrisse
- Standort: die Blattwurzel (wo es an der Nabe befestigt ist) und die Eintrittskante.
- Ursache: wechselnde aerodynamische Lasten, Schwingungen und Schaufelresonanz.
- Erkennung: Farbeindringprüfung, Magnetpulverprüfung oder Ultraschallprüfung zerstörungsfreie Prüfung.
- Kritikalität: Wird ein Ermüdungsriss nicht erkannt, kann er bis zur Blattablösung fortschreiten – dem Abwurf eines vollständigen Blattes.
Fehler bei der Schaufelbefestigung
- Risse in den Schweißnähten an der Blatt-Naben-Verbindung.
- Sich lösende Schraubenverbindungen.
- Risse im Wurzelhohlkehlbereich.
- Fortschreitender Ausfall, wenn der Zustand nicht frühzeitig erkannt wird.
4. Aerodynamische Instabilitäten
Drehbarer Stall
- Strömungsablösung, die sich an einzelnen Schaufeln bildet und ringförmig umläuft.
- Produces subsynchron Vibration bei 0,2–0,5× der Rotordrehzahl.
- Tritt bei geringem Durchfluss oder hohem Eintrittswiderstand auf.
- Kann heftig auftreten und die Schaufeln beschädigen.
Flattern
- Selbsterregte Schaufelschwingung infolge aeroelastischer Kopplung – eine Form von selbsterregte Schwingung.
- Die Schaufelbewegung verändert die Strömung, und die Strömung treibt ihrerseits die Schaufelbewegung an.
- Tritt bei der Eigenfrequenz.
- Kann zu raschem Schaufelversagen führen.
- Selten, aber katastrophal, wenn es auftritt.
5. Vibrationssignaturen
Blattdurchgangsfrequenz
- Berechnung: BPF = Schaufelanzahl × RPM / 60. Dies lässt sich sofort mit dem Schaufelpassierfrequenz-Rechner.
- Axialventilatoren: die Blattdurchgangsfrequenz ist häufig ausgeprägt – mehr als bei Radialventilatoren.
- Erhöhte Amplitude: weist auf Probleme mit dem Schaufelspitzenspiel, Schaufelschäden oder Strömungsprobleme hin.
- Obertöne: multiple BPF Obertöne weisen auf Schaufel- oder Strömungsprobleme hin.
Unwucht
- Entsteht durch Ablagerungen an Schaufeln, Erosion oder Ungleichmäßigkeit des Anstellwinkels.
- Zeigt sich als 1×-Komponente der Betriebsdrehzahl.
- Correctable by Feldauswuchten mit schaufelmontierten Gewichten.
Strömungsabrissbedingte Vibrationen
- Subsynchrone Komponenten im Bereich 0,2–0,5×.
- Zufällige, schwankende Amplitude.
- Ein Anstieg des Breitbandrauschens.
- Verschwindet, sobald der Durchfluss erhöht wird – ein nützlicher Bestätigungstest.
6. Erkennung und Überwachung
Schwingungsanalyse
- Standard-Lagerschwingungsüberwachung.
- Trendverfolgung der BPF-Amplitude über die Zeit.
- Beobachtung subsynchroner Komponenten, die auf einen Strömungsabriss hinweisen.
- Axiale Schwingung Messung zur Erfassung von Schubschwankungen.
Leistungsüberwachung
- Luftstrommessung nach dem Differenzdruckverfahren.
- Trendanalyse des Energieverbrauchs.
- Wirkungsgradberechnung.
- Vergleich mit dem Auslegungswert oder Basislinie performance.
Inspektion
- Sichtprüfung der Schaufeln auf Risse, Erosion und Korrosion.
- Überprüfung des Schaufelanstellwinkels.
- Messung des Spitzenspalts.
- Inspektion von Nabe und Befestigungspunkten.
- Zerstörungsfreie Prüfung zur Risserkennung an sicherheitskritischen Ventilatoren.
7. Auswuchtung vor Ort und Schwingungsgrenzwerte
Da ein Axialventilator in seinen eigenen Lagern läuft, besteht die praktischste Methode zur Beseitigung der dominanten 1× Unwucht darin, ihn an Ort und Stelle auszuwuchten, anstatt den Rotor auszubauen. Ein tragbarer Zweikanal-Schwingungsanalysator wie das Balanset-1A misst die 1× Amplitude und Phase bei Betriebsgeschwindigkeit, berechnet die Einflusskoeffizienten des Ventilators und gibt Masse und Winkel der Korrekturgewicht an, die an den Schaufeln hinzuzufügen sind. Anschließend überprüft er das Ergebnis anhand der Restunwucht Toleranz. Für die Abnahme und Auswuchtgütegrade werden große Industrieventilatoren speziell durch ISO 14694behandelt, während die gesamte Schwingungsstärke an den Lagergehäusen nach der modernen ISO 20816-3 (der Norm, die ISO 10816-3 abgelöst hat) beurteilt wird.
8. Wartung und Instandsetzung
Schaufelwartung
- Ablagerungen von den Schaufeln entfernen und anschließend neu auswuchten.
- Geringe Erosions- und Korrosionsschäden reparieren.
- Ersetzen Sie gerissene oder schwer beschädigte Schaufeln.
- Überprüfen Sie, ob alle Schaufeln denselben Anstellwinkel aufweisen.
- Kontrollieren Sie die Schaufelbefestigungsschrauben und ziehen Sie diese fest.
Wiederherstellung des Spalts
- Montieren Sie Deckbandringe oder Spitzendichtungen, wenn das Spaltmaß zu groß ist.
- Erneuern Sie das Gehäuse, um seinen Durchmesser zu verringern.
- Ersetzen Sie den Lüfter, wenn dies wirtschaftlich gerechtfertigt ist.
Betriebspunktregelung
- Passen Sie den Systemwiderstand an, sodass der Lüfter nahe seinem Auslegungspunkt betrieben wird.
- Verwenden Sie eine drehzahlvariable Regelung für eine optimale Anpassung.
- Vermeiden Sie den Betrieb im Abströmbereich (Stall-Bereich).
- Verwenden Sie Einlaufleitschaufeln oder Drosselklappen zur Regelung des Teillastbetriebs.
Axialventilator-Defekte kombinieren die typischen Probleme rotierender Maschinen mit aerodynamischen Phänomenen, die spezifisch für Axialströmungsmaschinen sind. Ein fundiertes Verständnis struktureller Schaufelprobleme, der kritischen Bedeutung des Schaufelspalts sowie von Instabilitäten wie dem Rotating Stall – verbunden mit geeigneter Schwingungsüberwachung und Leistungsprüfung – hält diese unverzichtbaren luftfördernden Maschinen im Industriebetrieb zuverlässig in Gang.
